(57)【要約】【課題】  コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる熱発電システムを提供する。【解決手段】  熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８から噴射させる。ノズル８から噴射した蒸気によってタービン５を回転駆動させ、タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａを回転させることにより、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。コレクタ１には、作動媒体３の集熱経路１３から分岐して、コレクタ１内で作動媒体３を集熱経路１３の上流側に戻す内部循環経路１４を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、
前記コレクタに設けられた作動媒体の集熱経路から分岐して、前記コレクタ内で作動媒体を前記集熱経路の上流側に戻す内部循環経路を設けたことを特徴とする熱発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記コレクタの集熱経路と前記ノズルの間で前記作動媒体を循環させるシステム用ポンプとは別に、前記内部循環経路で作動媒体を循環させる循環用ポンプを設けた熱発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記内部循環経路で作動媒体が循環する循環流速を、作動媒体がコレクタの入り口へ流入する流入流速およびコレクタの出口から流出する流出流速よりも速くする手段を設けた熱発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、熱エネルギーを前記集熱経路および前記内部循環経路へ反射させる反射板を設けた熱発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記コレクタにおける前記集熱経路をコレクタ外装体内に配置し、このコレクタ外装体内を真空引きする手段を設けた熱発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、非接触軸受によって支持した熱発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有する熱発電システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記タービンは前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成した熱発電システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱発電システムの従来例として、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている（例えば特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開２００２−２４２６９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０５１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２２７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した各太陽熱発電システムでは、いずれも得られる熱エネルギーが小さくエネルギー密度が低いため、熱エネルギーを吸収して作動媒体を加熱するコレクタ部とは別に、ヒータなどを用いて作動媒体を加熱して高圧蒸気にする必要があった。
【０００４】
また、次の各問題があった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、多くのエネルギーを獲得する対策として、例えばコレクタ面積を大きくしたり、図６のように、コレクタ部３１を循環する作動媒体３Ａの循環路３４Ａと、タービン３５を循環する作動媒体３Ｂの循環路３４Ｂとを別々に設け、コレクタ部３１によって加熱された作動媒体３Ａの熱を、熱交換器４０を介してタービン３５側の作動媒体３Ｂに与える構成とする必要があった。この場合、システムが大型化してしまう。
・例えばコレクタ部での作動媒体の加熱構造として、加熱している銅パイプの中に作動媒体を流す場合、一般に流速が速い方が熱伝達率は高くなる。そのため、コレクタ部では作動媒体の流速を速くした方が効率良く、熱エネルギーを作動媒体へ伝達できる。しかし、作動媒体を直接加熱するシステムでは、ノズルから噴出する流量によってコレクタ部での流速が決まってしまうという問題があった。また、作動媒体を間接的に加熱するシステムでは、図６のようにコレクタ部３１で熱量を与えられた作動媒体３Ａの熱を、熱交換器４０を通してタービン３５側の作動媒体３Ｂに与える必要があった。
・コレクタ部では自然対流による熱損失があるため、熱獲得効率が低下するという問題があった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、作動媒体として、気化し易い有機媒体あるいは沸点の低い有機媒体、例えばアンモニア、代替フロン、アルコール、アセトンなどの溶剤が使用される。ところが、このような作動媒体を使用した場合、高熱のため、タービンを回転支持する軸受用の潤滑剤の保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
・また、これらの溶剤によって発電機ステータ部のコイル、もしくはこのコイルを保護しているモールド樹脂が劣化するといった問題もあった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、タービン部材の質量および慣性モーメントが大きいと、回転起動が難しいといった問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる熱発電システムを提供することである。
この発明の他の目的は、上記各問題を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記コレクタに設けられた作動媒体の集熱経路から分岐して、前記コレクタ内で作動媒体を前記集熱経路の上流側に戻す内部循環経路を設けたことを特徴とする。
このように、コレクタ内において、集熱経路と内部循環経路との間で作動媒体を循環させることにより、集熱経路の吸収熱エネルギー密度が限られたものであっても、作動媒体が獲得できる熱量を大きくすることができる。その結果、熱交換器を通して熱エネルギーの伝達を行わず、またコレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、ノズルから噴出された後の作動媒体をコレクタでの直接加熱により過熱して高圧蒸気にすることができる。
【０００７】
この発明において、前記コレクタの集熱経路と前記ノズルの間で前記作動媒体を循環させるシステム用ポンプとは別に、前記内部循環経路で作動媒体を循環させる循環用ポンプを設けても良い。
このように、集熱経路と内部循環経路との間で作動媒体を循環させる循環用ポンプを設けると、内部循環経路で作動媒体が循環する循環流速を、作動媒体がコレクタの入り口へ流入する流入流速およびコレクタの出口から流出する流出流速と異ならせることができる。例えば、集熱経路および内部循環経路の経路断面の設定、あるいはシステム用ポンプおよび内部循環用ポンプの能力設定により、ノズルへ運ばれる作動媒体の質量流量を固定にしたまま、コレクタ内で循環させる質量流量を大きくすることにより、コレクタ内で循環する作動媒体の循環流速を、コレクタの入口に流入する流入速度およびコレクタの出口から流出する流出速度よりも速くできる。その結果、コレクタでの作動媒体への熱伝達率が高くなり、効率良く熱エネルギーを作動媒体へ伝達することができる。
【０００８】
この発明において、熱エネルギーを前記集熱経路および前記内部循環経路へ反射させる反射板を設けても良い。このように反射板を用いて集光面積を大きくすることで、集熱経路の吸収熱エネルギー密度を大きくすることができる。
【０００９】
この発明において、前記コレクタにおける前記集熱経路をコレクタ外装体内に配置し、このコレクタ外装体内を真空引きする手段を設けても良い。このように、コレクタ外装体内を真空引きすることで、自然対流熱伝達による熱損失を低減でき、太陽熱エネルギーを効率良く作動媒体に伝達できる。
【００１０】
この発明において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、非接触軸受によって支持しても良い。タービンと発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受で回転自在に支持すると、軸受に潤滑剤が不要となる。そのため、主軸を回転支持する軸受の潤滑剤が高熱の作動媒体で劣化するといった事態が生じる恐れがない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。
【００１１】
この発明において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有するものとしても良い。このように発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を設けることにより、発電機ステータ部におけるコイル表面の絶縁皮膜や、コイルを保護しているモールド樹脂が、作動媒体である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるといった事態を回避できる。
【００１２】
この発明において、前記タービンは前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成しても良い。タービン翼車をプラスチック材料製とすると、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記コレクタに設けられた作動媒体の集熱経路から分岐して、前記コレクタ内で作動媒体を前記集熱経路の上流側に戻す内部循環経路を設けたため、コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽光を集光して太陽熱を吸収するコレクタ１と、タービン５および発電機６を有するタービンユニット２と、コレクタ１とタービン５の間で作動媒体３を循環させる作動媒体循環路４とを備える。
作動媒体循環路４は、前記コレクタ１で直接的に加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気として前記タービン５に噴出させタービン５を回転駆動するノズル８と、タービン５の回転に使用された作動媒体３を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ１に循環供給するシステム用ポンプ１０とを有する。
【００１５】
図２は、前記作動媒体循環路４の一部としてコレクタ１の外装体２２内に設けられた加熱部１２の一構成例の平面図を示す。この加熱部１２は、コレクタ１の熱エネルギーを吸収して作動媒体循環路４内を流れる作動媒体３を加熱するものであって、加熱部１２の主要な機能部となる集熱経路１３と、この集熱経路１３の下流側から分岐して作動媒体３を集熱経路１３の上流側に戻す内部循環経路１４とを有する。
集熱経路１３は蛇行状に配置された銅パイプからなり、この集熱経路１３の下側にはコレクタ外装体２２の平面部に沿うように反射板１５が配置される。集熱経路１３は、固定部材２３を介してコレクタ外装体２２に固定される。反射板１５は、コレクタ１の熱エネルギーを蛇行状銅パイプからなる集熱経路１３に反射させるものである。このように反射板１５を用いて集光面積を大きくすることで、集熱経路１３の吸収熱エネルギー密度を大きくすることができる。なお、内部循環経路１４の下側にも前記反射板１５と同様の機能を有する反射板を配置しても良い。
内部循環経路１４の途中には、内部循環経路１４と集熱経路１３との間で作動媒体３を循環させる内部循環用ポンプ１６が設けられている。
本実施例ではコレクタ１を１つの外装体22内に設けられた加熱部12で構成しているが、これらを連結した構成でもよい。
【００１６】
図３は、コレクタ１における加熱部１２の他の構成例の平面図を示す。この構成例では、２つのコレクタ外装体２２Ａ，２２Ｂを設け、一方のコレクタ外装体２２Ａ内に集熱経路１３を、他方のコレクタ外装体２２Ｂ内に内部循環経路１４を分けて配置している。集熱経路１３が蛇行状銅パイプからなり、この集熱経路１３の下側にコレクタ外装体２２Ａの平面部に沿うように反射板１５Ａが配置されることは図２の構成例の場合と同様である。この構成例の場合、内部循環経路１４も蛇行状銅パイプからなり、内部循環経路１４の下側にもコレクタ外装体２２Ｂの平面部に沿うように反射板１５Ｂが配置される。内部潤滑経路１４が集熱経路１３の下流側と上流側との間に連結されることは図２の構成例の場合と同様であるが、内部循環用ポンプ１６は両コレクタ外装体２２Ａ，２２Ｂの外部に設けられる。集熱経路１３および内部循環経路１４は、それぞれ固定部材２３を介して対応するコレクタ外装体２２Ａ，２２Ｂに固定される。
【００１７】
また、図２および図３の構成例において、前記コレクタ１における加熱部１２が配置される外装体２２，２２Ａ，２２Ｂ内は、真空引き手段２９（図３では図示を省略）により真空引きされる。これにより、コレクタ１内での自然対流熱伝達による熱損失が低減される。
【００１８】
図４はタービンユニット２の拡大断面図を示し、図５は図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図を示す。タービンユニット２の発電機６は、回転部分である発電機ロータ６Ａと静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなり、タービン５と発電機ロータ６Ａとは主軸７で連結されている。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ型発電機であり、主軸７に形成したフランジ部７ａの周面に設けられた発電機ロータ６Ａに対して、軸方向に所定のギャップを介して１対の発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂが対向配置されている。これにより、タービン５のタービン翼車５ａの回転が発電機ロータ６Ａの回転となり、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電はコントローラ１１（図１）によって制御される。
発電機６の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁２１が設けられる。具体的には、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂの表面が隔壁２１で被覆保護されている。このように発電機ステータ部６Ｂを隔壁２１で被覆保護することにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
【００１９】
主軸７は非接触軸受１７によって回転自在に支持される。
タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン５のタービン翼車５ａが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）等が好適である。タービン５をプラスチック材料製とした場合は、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体３に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。ＰＥＥＫ材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン５の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００２０】
タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８にタービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の外周側には、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱されて蒸気となった作動媒体３を流入させる給気ポート１９が、タービンユニット２の外周壁２ａを貫通して設けられている。タービン翼車５ａの一端の回転中心部には、タービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３を作動媒体循環路４の下流部に流出させる排気ポート２０が開口させてある。
【００２１】
このように構成されたタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン５の外周側のノズル８からタービン翼車５ａに噴射されることで、タービン翼車５ａが回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン翼車５ａの内周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。
【００２２】
上記構成による太陽熱発電システムの動作を説明する。コレクタ１によって太陽熱を獲得し、獲得した熱エネルギーを、コレクタ１内の加熱部１２で作動媒体循環路４内の作動媒体３に与えることにより、作動媒体３の蒸気圧力を高める。図２あるいは図３に示すように、コレクタ１内の加熱部１２へは質量流量Ｍｓの作動媒体３が流入するが、加熱部１２では内部循環用ポンプ１６により集熱経路１３と内部循環路１４との間に作動媒体３を質量流量Ｍｃで循環させているため、コレクタ１内では反射板１５（あるいは１５Ａ，１５Ｂ）による集熱作用も加わって質量流量Ｍｃ＋Ｍｓの作動媒体３が加熱されることになる。
【００２３】
加熱された作動媒体３が集熱経路１３の下流側にくると、システム用ポンプ１０によりノズル８へと運ばれる質量流量Ｍｓの作動媒体３と、内部循環用ポンプ１６により加熱部１２での循環を繰り返す質量流量Ｍｃの作動媒体３とに分離される。これにより、コレクタ１内では、常に質量流量Ｍｃの作動媒体３が循環していることになる。すなわち、同じ熱エネルギー吸収密度［Ｗ／ｍ2 ］の加熱部１２であっても、その加熱部１２を単純に作動媒体３が通過する場合に比べて、この太陽熱発電システムのように加熱部１２で作動媒体３の一部を循環させる場合には、加熱部１２での作動媒体３の滞在時間が長くなるので、単位質量当たりの作動媒体３が獲得できる熱量［Ｊ／ｋｇ］は大きくなる。また、集熱経路１３および内部循環経路１４の経路断面の設定、あるいはシステム用ポンプ１０および内部循環用ポンプ１６の能力設定により、ノズル８へ運ばれる作動媒体３の質量流量Ｍｓを固定にしたまま、コレクタ１内で循環させる質量流量Ｍｃを大きくできるので、集熱経路１３と内部循環経路１４との間で循環する作動媒体３の循環流速を、コレクタ１の入口に流入する流入速度およびコレクタ１の出口から流出する流出速度よりも速くできる。その結果、この太陽熱発電システムでは、コレクタ１での作動媒体３への熱伝達率が高くなり、効率良く太陽熱エネルギーを作動媒体３へ伝達することができる。
【００２４】
すなわち、従来例で挙げたような熱交換器を通して熱エネルギーの伝達を行うといった構成を採用することなく、あるいはコレクタ１とは別にヒータ等の加熱手段を付加することなく、ノズル８から噴出した後の作動媒体３をコレクタ１での加熱部１２により直接加熱して作動媒体３を高圧蒸気にすることができる。
また、コレクタ１の内部を真空引き手段２９で真空引きするので、コレクタ１内部での自然対流熱伝達による熱損失が低減され、太陽熱エネルギーをより効率良く作動媒体３に伝達できる。
加熱部１２で加熱された作動媒体３の高圧蒸気はノズル８を介してタービン５に噴射され、これによりタービン５が回転駆動される。タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。このように、タービン５の回転が電気エネルギーに変換される。
タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は、システム用ポンプ１０によってコレクタ１まで輸送されるが、その間に復水器９によって完全に液体に戻る。
【００２５】
タービン５と発電機ロータ６Ａとを連結する主軸７は、非接触軸受１６で回転自在に支持しているので、軸受の潤滑剤が不要となる。潤滑剤を用いないため、作動媒体３としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の回転自在な支持に問題が生じることはない。その結果、作動媒体３の種類に制限を受けることなく、タービン５の長期回転が可能となる。また、非接触軸受１１で主軸７が支持されていることから、回転トルクロスが少なく、エネルギ変換効率低下を極力低減できる。そのため、エネルギーロスを極力低減したいこのような熱発電システムでは最適となる。
【００２６】
また、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂの表面が隔壁２１で被覆保護されているので、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成されるので、僅かな噴出力でも回転できるようになる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、発電機６としてアキシャルギャップ型発電機を用いたが、ラジアルギャップ型発電機を用いても良い。また、上記実施形態の構成において、コレクタ１だけでは作動媒体３の獲得する熱エネルギーが足りない場合には、作動媒体循環路４におけるコレクタ１とノズル８との間に別途加熱部を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。
【図２】同熱発電システムにおけるコレクタの加熱部の一構成例を示す平面図である。
【図３】同加熱部の他の構成例を示す平面図である。
【図４】熱発電システムにおけるタービンユニットの拡大断面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】従来例の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…コレクタ
３…作動媒体
５…タービン
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
７…主軸
８…ノズル
１０…システム用ポンプ
１３…集熱経路
１４…内部循環経路
１５，１５Ａ，１５Ｂ…反射板
１６…内部循環用ポンプ
１７…非接触軸受
２１…隔壁
２２，２２Ａ，２２Ｂ…コレクタ外装体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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